7500噸浮式起重機風載荷特性分析

張戩杰　張氫　秦仙蓉　廖鑫

摘要：采用1∶200的幾何縮尺比制作模型，高頻動態天平測力技術，按0～180°范圍內不同風向角、3種不同臂架幅度及兩種風場地貌確定了78種試驗工況，完成了7 500噸浮式起重機基底響應的風洞試驗.對基底響應試驗數據無量綱化后，分別從風向角、臂架幅度及風場地貌3個方面各自對風載荷特性的影響進行了全面研究分析.結果表明：1）等軸側方向（135°風向角）浮吊的實際風載荷達到最大，如果只沿主軸方向（90°風向角）進行結構或整機風載荷穩定性校驗，則可能漏掉整機實際最大風載荷；2）不同臂架幅度下結構迎風面積不同，將導致基底響應不同；3）開闊海域的A類地貌和近岸海域的B類地貌下基底響應的差異不顯著.

關鍵詞：浮式起重機；風洞測力試驗；風載荷；結構分析

中圖分類號：TH 218 文獻標識碼：A

7 500 t浮式起重機是目前世界上單機回轉起吊能力最大的海上浮式起重機，主要結構包括底盤、人字架、臂架及鋼絲繩等，其臂架長度約110 m，人字架高約51 m，可廣泛應用于重型橋梁安裝工程、海上油氣田開發的吊裝作業、港口建設重大件吊裝和沉船打撈等作業中.7 500 t浮吊不同于常見的機械和建筑結構，其結構相對特殊、復雜.其臂架可在20°～80°范圍內自由俯仰，且其臂架是由2個對稱布置的桁架結構單支組成，其特點是多弦桿、腹桿等細柔桿件，啟動外形復雜.此外，浮吊的工作海區廣闊，可工作于近岸、淺海、深海等各種海域，作業區域地貌環境多樣.因此，有必要討論浮式起重機在不同的臂架俯仰角和風場環境下整體的基底響應.

迄今為止，對7 500 t浮吊風載荷的計算大多集中于按相關規范估算和CFD數值仿真模擬[1-3]，僅限于某種特殊工況下的風載荷計算，且不能保證結果的精確.浮吊的局部剛度較好，風載荷對結構的作用主要體現在結構整體的基底響應.為此，采用高頻動態天平測力技術，在同濟大學TJ-2邊界層風洞內分別進行了0～180°范圍內不同風向角、3種不同臂架幅度、兩種不同風場地貌的風洞試驗，全面研究了7 500 t浮吊的風載荷特性.

由表2可知，隨著臂架俯仰角增大，風力系數逐漸增大.風載荷在沿臂架方向最明顯，當風向角在135°附近時達到最大值.且隨著臂架俯仰角增大，增大顯著.風載荷引起的傾覆力矩在繞垂直于臂架的y軸方向最明顯，且當風向角在135°附近時達到最大值.

5結論

1）基底響應均大致關于90°風向角對稱或反對稱.等軸側方向（135°風向角）浮吊的實際風載荷達到最大，若只沿主軸方向（90°風向角）進行結構或整機風載荷穩定性校驗，則可能漏掉整機實際最大風載荷.

2）臂架俯仰角度增大，臂架的迎風面積也增加，結構迎風面積的變化是不同臂架幅度下基底響應不同的主要原因.

3）開闊海域的A類地貌和近岸海域的B類地貌下基底響應的差異較小.

通過高頻動態天平測力風洞試驗，全面研究了不同風向角、臂架幅度及風場地貌對7 500 t浮吊風載荷特性的影響機理，為巨型浮吊的風載荷計算提供了試驗依據.

參考文獻

[1]鄭惠強，申靜靜，張氫. 7 500 t浮式起重機臂架鋼結構分析[J]. 中國工程機械學報，2008，6（2）：184-187.

[2]董達善，王晟，梅瀟. 7 500 t浮式起重機風載荷計算[J]. 上海海事大學學報， 2009，30（4）：6-9.

[3]李正農，郝艷峰，劉申會. 不同風場下高層建筑風效應的風洞試驗研究[J]. 湖南大學學報：自然科學版，2013，40（7）：9-15.

[4]TSCHANZ T， DAVERPORT A G. The base balance technique for the determination of dynamic wind load [J]. Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，1983，13：429-439.

[5]COOK N J. A sensitive 6component Highfrequencyrange balance for building aerodynamics [J]. Journal of Physics E：Scientific Instruments，1983，16（5）：390-393.

[6]肖正直，李正良，汪之松，等. 基于高頻天平測力試驗的輸電塔風載荷空間分布估計[J]. 華南理工大學學報：自然科學版，2009， 37（6）：147-152.

[7]SIMIU E， SCANLAN H R. Wind effects on structures and introduction to wind engineering [M]. 2nd ed. New York： John Wiley & Sons， 1995：191-195.

[8]CERMAK J E. Advances in physical modeling for wind engineering [J]. Journal of Engineering Mechanics， 1987，113（5）：737-756.

[9]黃鵬，顧明，全涌. 高層建筑標準模型風洞測壓和測力試驗研究[J]. 力學季刊，2008， 29（4）：627-633.

[10]WHITE F M. Fluid mechanics[M]. 5th ed. New York： McGrawHill， 2012： 293-296.

摘要：采用1∶200的幾何縮尺比制作模型，高頻動態天平測力技術，按0～180°范圍內不同風向角、3種不同臂架幅度及兩種風場地貌確定了78種試驗工況，完成了7 500噸浮式起重機基底響應的風洞試驗.對基底響應試驗數據無量綱化后，分別從風向角、臂架幅度及風場地貌3個方面各自對風載荷特性的影響進行了全面研究分析.結果表明：1）等軸側方向（135°風向角）浮吊的實際風載荷達到最大，如果只沿主軸方向（90°風向角）進行結構或整機風載荷穩定性校驗，則可能漏掉整機實際最大風載荷；2）不同臂架幅度下結構迎風面積不同，將導致基底響應不同；3）開闊海域的A類地貌和近岸海域的B類地貌下基底響應的差異不顯著.

關鍵詞：浮式起重機；風洞測力試驗；風載荷；結構分析

中圖分類號：TH 218 文獻標識碼：A

7 500 t浮式起重機是目前世界上單機回轉起吊能力最大的海上浮式起重機，主要結構包括底盤、人字架、臂架及鋼絲繩等，其臂架長度約110 m，人字架高約51 m，可廣泛應用于重型橋梁安裝工程、海上油氣田開發的吊裝作業、港口建設重大件吊裝和沉船打撈等作業中.7 500 t浮吊不同于常見的機械和建筑結構，其結構相對特殊、復雜.其臂架可在20°～80°范圍內自由俯仰，且其臂架是由2個對稱布置的桁架結構單支組成，其特點是多弦桿、腹桿等細柔桿件，啟動外形復雜.此外，浮吊的工作海區廣闊，可工作于近岸、淺海、深海等各種海域，作業區域地貌環境多樣.因此，有必要討論浮式起重機在不同的臂架俯仰角和風場環境下整體的基底響應.

迄今為止，對7 500 t浮吊風載荷的計算大多集中于按相關規范估算和CFD數值仿真模擬[1-3]，僅限于某種特殊工況下的風載荷計算，且不能保證結果的精確.浮吊的局部剛度較好，風載荷對結構的作用主要體現在結構整體的基底響應.為此，采用高頻動態天平測力技術，在同濟大學TJ-2邊界層風洞內分別進行了0～180°范圍內不同風向角、3種不同臂架幅度、兩種不同風場地貌的風洞試驗，全面研究了7 500 t浮吊的風載荷特性.

由表2可知，隨著臂架俯仰角增大，風力系數逐漸增大.風載荷在沿臂架方向最明顯，當風向角在135°附近時達到最大值.且隨著臂架俯仰角增大，增大顯著.風載荷引起的傾覆力矩在繞垂直于臂架的y軸方向最明顯，且當風向角在135°附近時達到最大值.

5結論

1）基底響應均大致關于90°風向角對稱或反對稱.等軸側方向（135°風向角）浮吊的實際風載荷達到最大，若只沿主軸方向（90°風向角）進行結構或整機風載荷穩定性校驗，則可能漏掉整機實際最大風載荷.

2）臂架俯仰角度增大，臂架的迎風面積也增加，結構迎風面積的變化是不同臂架幅度下基底響應不同的主要原因.

3）開闊海域的A類地貌和近岸海域的B類地貌下基底響應的差異較小.

通過高頻動態天平測力風洞試驗，全面研究了不同風向角、臂架幅度及風場地貌對7 500 t浮吊風載荷特性的影響機理，為巨型浮吊的風載荷計算提供了試驗依據.

參考文獻

[1]鄭惠強，申靜靜，張氫. 7 500 t浮式起重機臂架鋼結構分析[J]. 中國工程機械學報，2008，6（2）：184-187.

[2]董達善，王晟，梅瀟. 7 500 t浮式起重機風載荷計算[J]. 上海海事大學學報， 2009，30（4）：6-9.

[3]李正農，郝艷峰，劉申會. 不同風場下高層建筑風效應的風洞試驗研究[J]. 湖南大學學報：自然科學版，2013，40（7）：9-15.

[4]TSCHANZ T， DAVERPORT A G. The base balance technique for the determination of dynamic wind load [J]. Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，1983，13：429-439.

[5]COOK N J. A sensitive 6component Highfrequencyrange balance for building aerodynamics [J]. Journal of Physics E：Scientific Instruments，1983，16（5）：390-393.

[6]肖正直，李正良，汪之松，等. 基于高頻天平測力試驗的輸電塔風載荷空間分布估計[J]. 華南理工大學學報：自然科學版，2009， 37（6）：147-152.

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[8]CERMAK J E. Advances in physical modeling for wind engineering [J]. Journal of Engineering Mechanics， 1987，113（5）：737-756.

[9]黃鵬，顧明，全涌. 高層建筑標準模型風洞測壓和測力試驗研究[J]. 力學季刊，2008， 29（4）：627-633.

[10]WHITE F M. Fluid mechanics[M]. 5th ed. New York： McGrawHill， 2012： 293-296.

摘要：采用1∶200的幾何縮尺比制作模型，高頻動態天平測力技術，按0～180°范圍內不同風向角、3種不同臂架幅度及兩種風場地貌確定了78種試驗工況，完成了7 500噸浮式起重機基底響應的風洞試驗.對基底響應試驗數據無量綱化后，分別從風向角、臂架幅度及風場地貌3個方面各自對風載荷特性的影響進行了全面研究分析.結果表明：1）等軸側方向（135°風向角）浮吊的實際風載荷達到最大，如果只沿主軸方向（90°風向角）進行結構或整機風載荷穩定性校驗，則可能漏掉整機實際最大風載荷；2）不同臂架幅度下結構迎風面積不同，將導致基底響應不同；3）開闊海域的A類地貌和近岸海域的B類地貌下基底響應的差異不顯著.

關鍵詞：浮式起重機；風洞測力試驗；風載荷；結構分析

中圖分類號：TH 218 文獻標識碼：A

7 500 t浮式起重機是目前世界上單機回轉起吊能力最大的海上浮式起重機，主要結構包括底盤、人字架、臂架及鋼絲繩等，其臂架長度約110 m，人字架高約51 m，可廣泛應用于重型橋梁安裝工程、海上油氣田開發的吊裝作業、港口建設重大件吊裝和沉船打撈等作業中.7 500 t浮吊不同于常見的機械和建筑結構，其結構相對特殊、復雜.其臂架可在20°～80°范圍內自由俯仰，且其臂架是由2個對稱布置的桁架結構單支組成，其特點是多弦桿、腹桿等細柔桿件，啟動外形復雜.此外，浮吊的工作海區廣闊，可工作于近岸、淺海、深海等各種海域，作業區域地貌環境多樣.因此，有必要討論浮式起重機在不同的臂架俯仰角和風場環境下整體的基底響應.

迄今為止，對7 500 t浮吊風載荷的計算大多集中于按相關規范估算和CFD數值仿真模擬[1-3]，僅限于某種特殊工況下的風載荷計算，且不能保證結果的精確.浮吊的局部剛度較好，風載荷對結構的作用主要體現在結構整體的基底響應.為此，采用高頻動態天平測力技術，在同濟大學TJ-2邊界層風洞內分別進行了0～180°范圍內不同風向角、3種不同臂架幅度、兩種不同風場地貌的風洞試驗，全面研究了7 500 t浮吊的風載荷特性.

由表2可知，隨著臂架俯仰角增大，風力系數逐漸增大.風載荷在沿臂架方向最明顯，當風向角在135°附近時達到最大值.且隨著臂架俯仰角增大，增大顯著.風載荷引起的傾覆力矩在繞垂直于臂架的y軸方向最明顯，且當風向角在135°附近時達到最大值.

5結論

1）基底響應均大致關于90°風向角對稱或反對稱.等軸側方向（135°風向角）浮吊的實際風載荷達到最大，若只沿主軸方向（90°風向角）進行結構或整機風載荷穩定性校驗，則可能漏掉整機實際最大風載荷.

2）臂架俯仰角度增大，臂架的迎風面積也增加，結構迎風面積的變化是不同臂架幅度下基底響應不同的主要原因.

3）開闊海域的A類地貌和近岸海域的B類地貌下基底響應的差異較小.

通過高頻動態天平測力風洞試驗，全面研究了不同風向角、臂架幅度及風場地貌對7 500 t浮吊風載荷特性的影響機理，為巨型浮吊的風載荷計算提供了試驗依據.

參考文獻

[1]鄭惠強，申靜靜，張氫. 7 500 t浮式起重機臂架鋼結構分析[J]. 中國工程機械學報，2008，6（2）：184-187.

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[4]TSCHANZ T， DAVERPORT A G. The base balance technique for the determination of dynamic wind load [J]. Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，1983，13：429-439.

[5]COOK N J. A sensitive 6component Highfrequencyrange balance for building aerodynamics [J]. Journal of Physics E：Scientific Instruments，1983，16（5）：390-393.

[6]肖正直，李正良，汪之松，等. 基于高頻天平測力試驗的輸電塔風載荷空間分布估計[J]. 華南理工大學學報：自然科學版，2009， 37（6）：147-152.

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[9]黃鵬，顧明，全涌. 高層建筑標準模型風洞測壓和測力試驗研究[J]. 力學季刊，2008， 29（4）：627-633.

[10]WHITE F M. Fluid mechanics[M]. 5th ed. New York： McGrawHill， 2012： 293-296.